АНТЕННА ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК H01Q21/24 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно - к антеннам с эллиптической поляризацией дециметрового и метрового диапазона волн и может быть использовано в различных радиотехнических системах.

Известна антенна с круговой поляризацией /1, стр. 99, рис. 76; 2, стр. 322, рис. 13.6/, содержащая рамочный излучатель малых размеров и несимметричный вертикальный вибратор длиной L = λ_o/4, где λ_o - средняя длина волны, установленный по центру рамочного излучателя, и фидеры питания, подключенные ко входам рамочного излучателя и несимметричного вертикального вибратора.

Антенна круговой поляризации работает следующим образом. Высокочастотное (ВЧ) напряжение одинаковой амплитуды от одного генератора по фидерам питания подводится к рамочному излучателю и к несимметричному вертикальному вибратору, при этом сдвиг фаз между током, обтекающим рамочный излучатель, и током, обтекающим несимметричный вертикальный вибратор, равен 90^o. Оба излучателя имеют одинаковые по форме диаграмму направленности (ДН) с направлением главных лепестков перпендикулярно вертикальному вибратору и излучают в пространство электромагнитные волны (ЭМВ) линейной поляризации. Электрические векторы полей обоих излучателей при соосном их расположении будут взаимно перпендикулярны в пределах главных лепестков ДН. При таком питании и пространственно ортогональных векторах каждого излучателя антенна излучает в пространство ЭМВ круговой поляризации в направлении главного лепестка ДН.

К недостаткам аналога можно отнести отсутствие излучения ЭМВ эллиптической поляризации вдоль оси рамочного излучателя.

Известна направленная антенная решетка с круговой поляризацией [3], содержащая два симметричных полуволновых вибратора, расположенных параллельно друг другу на расстоянии d_в2, установленных над металлическим экраном на высоте h_в2, и симметричный полуволновый вибратор, установленный в центре металлического экрана на высоте h_в1 над экраном перпендикулярно параллельным вибраторам, и фидеры питания, подключенные ко входам каждого вибратора.

Направленная антенная решетка с круговой поляризацией работает следующим образом. ВЧ напряжение от одного генератора подается по фидерному тракту к трем вибраторам, при этом сдвиг фаз между токами, обтекающими параллельные вибраторы, и током, обтекающим одиночный вибратор, равен 90^o, амплитуды токов равны. При таком питании и взаимном расположении вибраторов антенная решетка излучает ЭМВ круговой поляризации в направлении главного лепестка ДН.

К недостаткам прототипа можно отнести большие габариты и сложность обеспечения питания вибратора в соответствующих фазах.

Известна кардиоидная антенна /4, стр. 44, рис. 1.14/, содержащая рамку малых размеров, симметричный вибратор, расположенный в плоскости рамки, и фидеры питания, подключенные к вибратору и рамке.

Кардиоидная антенна работает следующим образом. ВЧ напряжение одинаковых амплитуд с одинаковыми фазами с одного генератора подается на входы рамки и вибратора. Благодаря равенству амплитуд и фаз напряжения на входах обоих излучателей антенна формирует кардиоидную ДН линейной поляризации в направлении оси рамки. Недостатком третьего аналога является излучение ЭМВ линейной поляризации в переднее полупространство.

Каждый из приведенных аналогов может быть использован в радиотехнических устройствах в качестве комбинированной антенны из двух излучателей. В качестве прототипа предлагаемого изобретения авторами выбран третий аналог, как наиболее близкий по конструктивным признакам.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача создания антенны с излучением ЭМВ эллиптической поляризации по оси антенны в переднее полупространство.

Техническим результатом предлагаемого решения является комбинированная антенна эллиптической поляризации, излучающая ЭМВ по оси антенны в переднее полупространство.

Этот технический результат достигается тем, что в антенне эллиптической поляризации, содержащей рамочный излучатель и симметричный полуволновой вибратор, установленные над металлическим экраном параллельно ему на высотах h_p и h_в= λ_o/4 соответственно, где λ_o - длина волны, первый коаксиальный разъем, установленный с противоположной стороны металлического экрана соосно с рамочным излучателем, при этом симметрирующее и согласующее устройства симметричного полуволнового вибратора являются продолжением первого коаксиального разъема, новым является то, что рамочный излучатель выполнен в виде трубчатого кольца периметром П_p≈ λ_o с зазором, которое закреплено на металлическом экране посредством трубчатой стойки высотой h_ст= h_p= λ_o/8, расположенной диаметрально противоположно зазору в трубчатом кольце, так что линия, проходящая через середину зазора трубчатого кольца и одну из осей верхнего торца трубчатой стойки, является осью симметрии рамочного излучателя, соосно трубчатой стойке с противоположной стороны металлического экрана установлен второй коаксиальный разъем, так что трубчатая стойка является его продолжением, внутри трубчатого стойки и одной половины трубчатого кольца проложен внутренний проводник, соединенный одним концом с центральным проводником второго коаксиального разъема, а вторым концом - со входом четвертьволнового согласующего трансформатора, размещенного внутри той же половины трубчатого кольца вблизи зазора, выход четвертьволнового согласующего трансформатора соединен проводником в зазоре с противоположным концом трубчатого кольца, плечи симметричного полуволнового вибратора направлены вдоль оси симметрии трубчатого кольца, с противоположной стороны металлического экрана введен коаксиальный тройник, выходные плечи которого соединены с первым и вторым коаксиальными разъемами, разница для выходных плеч коаксиального тройника выбрана равной l₁- l₂= Δl₂₁= (2n-1)λ_ф/4, где n = 1, 2, 3 .. . , λ_ф - длина волны в плечах коаксиального тройника, l₁ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного с первым коаксиальным разъемом, l₂ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного со вторым коаксиальным разъемом.

Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения позволяет создать комбинированную антенну эллиптической поляризации с излучением ЭМВ по оси рамочного излучателя в переднее полупространство.

На фиг. 1 приведен эскиз предлагаемой антенны, на фиг. 2 - схема электрического соединения четвертьволнового согласующего трансформатора в зазоре рамки, на фиг. 3 - пространственная ориентация векторов E, излучаемых кольцевой рамкой и симметричным вибратором.

Антенна эллиптической поляризации на фиг. 1 содержит, рамочный излучатель 1, выполненный в виде трубчатого кольца с зазором 2, и симметричный полуволновой вибратор 3, установленные над металлическим экраном 4 параллельно ему, первый коаксиальный разъем 5, установленный с противоположной стороны металлического экрана 4 соосно с рамочным излучателем 1, при этом симметрирующее и согласующее устройства 6 симметричного полуволнового вибратора 3 являются продолжением первого коаксиального разъема 5, рамочный излучатель 1 закреплен на металлическом экране 4 посредством трубчатой стойки 7, расположенной диаметрально противоположно зазору 2, и диэлектрической стойки 8, расположенной под зазором 2, соосно трубчатой стойке 7 с противоположной стороны металлического экрана 4 установлен второй коаксиальный разъем 9, так что трубчатая стойка является его продолжением, так же с противоположной стороны металлического экрана 4 введен коаксиальный тройник 10, выходные плечи 11, 12 которого соединены с первым и вторым коаксиальными разъемами 5, 9.

На фиг. 2 приведен эскиз электрического соединения четвертьволнового согласующего трансформатора с внутренним проводником трубчатого кольца и с противоположным концом трубчатого кольца в зазоре. Здесь проводник 16, проложенный внутри одной половины трубчатого кольца 17, соединен со входом четвертьволнового согласующего трансформатора 18, размещенного внутри той же половины трубчатого кольца. Четвертьволновый согласующий трансформатор закреплен во внутренней полости трубчатого кольца диэлектрическими шайбами 19, 20. Выход трансформатора продлен проводниками 21 и соединен с металлической пробкой 22 противоположного конца трубчатого кольца в зазоре 23.

Антенна эллиптической поляризации фиг. 1 работает следующим образом. ВЧ ток от генератора поступает на вход тройника 10 и разветвляется в двух направлениях по выходным плечам 11, 12, подключенным к коаксиальным разъемам 9 рамочного излучателя 1 и 5 симметричного полуволнового вибратора 3. Благодаря тому, что разница длин выходных плеч 11, 12 равна Δl₂₁= λ_ф/4, в рамочном излучателе 1 протекает ток, сдвинутый по фазе на 90^o относительно тока, протекающего в симметричном полуволновом вибраторе 3, при этом амплитуды токов в обоих излучателях равны. На фиг. 3 приведен эскиз пространственного расположения электрических векторов полей обоих излучателей, направление электрических векторов показаны стрелками "E_n" и "E_p". Векторы поля "E_n" и "E_p" расположены пространственно ортогонально и сдвинуты по фазе на 90^o. Вследствие этого конец вектора суммарного поля описывает окружность. Это означает, что излученное поле будет представлять собой поле эллиптической поляризации.

Трубчатое кольцо рамочного излучателя может быть изготовлено из любой трубки, например латунной трубки типа "Труба ДКНМР10x1ОЛ63 ГОСТ 494-75" или "Труба ДКНМР12x1ОЛ63 ГОСТ 494-75". Рекомендуемый наружный диаметр трубки D_mp < 0,1 D_k, где D_k - средний диаметр кольца рамки.

В качестве коаксиальных разъемов могут быть использованы промышленные высокочастотные коаксиальные соединители, например СР50-166Ф.

В качестве внутренних проводников 16, 18 и 21 фиг. 2 лучше всего использовать отрезок радиочастотного кабеля, например, РК50-4-21 или РК50-7-21 и т. п. , со снятой наружной изоляцией, причем наружная оплетка кабеля соединяется электрически с внутренней поверхностью трубки, а внутренний проводник кабеля используется как внутренний проводник рамки. Внутренний проводник согласующего трансформатора может быть изготовлен из латунных прутков любой марки, например, ЛС59-1 ГОСТ 15527-74 или ЛС63 ГОСТ 15527-74. Металлическая пробка 22 фиг. 2 может быть изготовлена из тех же прутков.

Диэлектрические шайбы для крепления согласующего трансформатора внутри трубчатой рамки могут быть изготовлены из любого высокочастотного диэлектрика, например фторопласта ФТ-4.

Вибратор может быть изготовлен из любых металлических прутков диаметром d_в = 5 мм, например, Д16Т.

В целях подтверждения осуществляемости заявляемой антенны эллиптической поляризации изготовлен макет антенны со следующими данными:
- рабочая частота f = 1100 МГц;
- длина волны в свободном пространстве λ_o= 0,273 м;
- средний диаметр кольца D_к= 0,33λ_o= 0,09 м;
- длина одного плеча вибратора l_в= 0,25λ_o= 0,07 м;
- диаметр экрана d_э= 1,1λ_o= 0,3 м;
- расстояние между вибратором и рамкой h_вр= 0,125λ_o= 0,03 м;
- расстояние между рамкой и экраном h_рэ= 0,125λ_o= 0,03 м;
- ширина зазора рамки Δl_з= 0,036λ_o= 0,01 м.
Покажем, что предлагаемая антенна излучает поле круговой поляризации в направлении оси, а поле эллиптической поляризации в других направлениях. Согласно /5, 6, стр. 28, рис. 1-13/ для возбуждения ЭМВ эллиптической поляризации необходимо произвольную волну линейной поляризации разделить на две составляющие, сделать эти составляющие пространственно ортогональными, сдвинуть их по фазе одну относительно другой, а затем сложить векторно обе преобразованные составляющие.

В предлагаемой антенне эллиптической поляризации деление волны на две составляющие с одинаковыми амплитудами производится в коаксиальном тройнике, сдвиг по фазе на 90^o - в плечах тройника, длины которых отличаются на нечетное число четвертей длин волн, что равнозначно сдвигу по фазе на четверть периода или на 90^o.

Ортогональность составляющих, сдвинутых по фазе, достигается в излучателях антенны: оба излучателя излучают ЭМВ линейной поляризации, причем вектор E симметричного полуволнового вибратора ориентирован в пространстве параллельно плечам вибратора и оси симметрии кольцевой рамки, а вектор E кольцевой рамки периметром П_p≈ λ_o ориентирован в пространстве вдоль диаметра кольца, перпендикулярного оси симметрии. Ориентация этих векторов показана на фиг. 3. Векторное сложение ортогональных составляющих, сдвинутых по фазе на 90^o, происходит в переднем полупространстве после излучения ЭМВ каждым излучателем антенны. При равенстве амплитуд составляющих и сдвига фаз в 90^o между ними вдоль оси антенны излучается ЭМВ круговой поляризации, а в других направлениях - ЭМВ эллиптической поляризации.

Проведенный анализ показывает, что предлагаемая антенна эллиптической поляризации удовлетворяет условиям патентоспособности, технически реализуется и имеет промышленную применимость.

Источники информации
1. В.И. Бекетов. Антенны СВЧ. М.: Военное издательство, 1957.

2. Г.Б. Резников. Самолетные антенны. М.: Сов. радио, 1962.

3. ФРГ, а.с. N 2156053, кл. H 01 Q 21/24. Направленная антенная решетка с круговой или эллиптической поляризацией.

4. Г.Т. Марков, Д.Н. Сазонов. Антенны. М.: Энергия, 1975.

5. Г. Т. Епифанов, А.В. Хохлов. Способ преобразования волны с линейной поляризацией в волну с эллиптической поляризацией. А. с. N 1660079 от 12.07.88 H 01 Q 1/165 оп. 30.06.91 Бюл. N 24.

6. Г.Т. Марков. Антенны. М-Л.: Госэнергоиздат, 1960.

Изобретение относится к области радиотехники, а конкретно - к антеннам с эллиптической поляризацией дециметрового и метрового диапазонов волн, и может быть использовано в различных радиотехнических системах. Техническим результатом является создание комбинированной антенны эллиптической поляризации с излучением в переднее полупространство. Антенна эллиптической поляризации содержит рамочный излучатель, выполненный в виде трубчатого кольца с зазором, и симметричный полуволновой вибратор, установленные над металлическим экраном параллельно ему, первый коаксиальный разъем, установленный с противоположной стороны металлического экрана соосно с рамочным излучателем, при этом симметрирующее и согласующее устройства симметричного полуволнового вибратора являются продолжением первого коаксиального разъема, рамочный излучатель закреплен на металлическом экране посредством трубчатой стойки, расположенной диаметрально противоположно зазору, и диэлектрической стойки, расположенной под зазором, соосно трубчатой стойке с противоположной стороны металлического экрана установлен второй коаксиальный разъем, так что трубчатая стойка является его продолжением, так же с противоположной стороны металлического экрана введен коаксиальный тройник, выходные плечи которого соединены с первым и вторым коаксиальными разъемами. 3 ил.

Антенна эллиптической поляризации, содержащая рамочный излучатель и симметричный полуволновой вибратор, установленные над металлическим экраном параллельно ему на высотах h_p и h_в = λ_o/4 соответственно, где λ_o - длина волны, первый коаксиальные разъем, установленный с противоположной стороны металлического экрана соосно с рамочным излучателем, при этом симметрирующее и согласующее устройства симметричного полуволнового вибратора являются продолжением первого коаксиального разъема, отличающаяся тем, что рамочный излучатель выполнен в виде трубчатого кольца периметром П_p ≈ λ_o с зазором, которое закреплено на металлическом экране посредством трубчатой стойки высотой h_ст = h_p = λ_o/8, расположенной диаметрально противоположно зазору в трубчатом кольце, так что линия, проходящая через середину зазора трубчатого кольца и ось трубчатой стойки, является осью симметрии рамочного излучателя, соосно трубчатой стойке с противоположной стороны металлического экрана установлен второй коаксиальный разъем, так что трубчатая стойка является его продолжением, внутри трубчатой стойки и одной половины трубчатого кольца проложен внутренний проводник, соединенный одним концом с центральным проводником второго коаксиального разъема, а вторым концом - со входом четвертьволнового согласующего трансформатора, размещенного внутри той же половины трубчатого кольца вблизи зазора, выход четвертьволнового согласующего трансформатора соединен проводником в зазоре с противоположным концом трубчатого кольца, плечи симметричного полуволнового вибратора направлены вдоль оси симметрии трубчатого кольца, с противоположной стороны металлического экрана введен коаксиальный тройник, выходные плечи которого соединены с первым и вторым коаксиальными разъемами, разница длин выходных плеч коаксиального тройника выбраны равной l₁ = l₂ = Δl₂₁ = (2n-1)λ_ф/4, где n = 1,2,3, ... , λ_ф - длина волны в плечах коаксиального тройника, l₁ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного с первым коаксиальным разъемом, l₂ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного со вторым коаксиальным разъемом.